Rheb参与调节线粒体能量产生

文献导读

2021年3月22日，来自华南理工大学的Bo Xiao教授和约翰霍普金斯大学Paul F. Worley教授在 Developmental Cell联合发表了题为“Rheb mediates neuronal-activity-induced mitochondrial energetics through mTORC1-independent PDH activation”的文章。该文章揭示了Rheb在线粒体能量调节中的作用。

研究介绍

神经元可以协调能量调节和突触可塑性。活动调节的神经能量学对于维持神经元功能的能量稳态至关重要，而神经元间突触信号/传输的增加会导致更多的能量消耗。无论是休息时还是活动时，神经元都需要乳糖和葡萄糖作为能量来源。神经元可以协调能量调节和突触可塑性。但是，神经元线粒体如何适应增加的能量供应(活性诱导的乳酸和丙酮酸消耗在这种情况下)，以增加线粒体活性和ATP的生产还没有完全明晰。Rheb是一种小H-Ras-like GTPase，是溶酶体表面雷帕霉素复合物1（mTORC1）机制靶点的直接和必要激活剂。在研究Rheb在突触信号传导和细胞分化中的作用是，发现Rheb与丙酮酸代谢的能量调节中的线粒体调节有关。

为了探究Rheb是否直接调控线粒体功能，作者先对Rheb的表达进行定位，发现在海拉细胞中Rheb与线粒体标记物共定位。之后，作者对线粒体进行生化分离和亚细胞分离，证实线粒体基质中存在Rheb。并且，线粒体基质中的Rheb的存在随着神经元活性和代谢需求的增强而增强。不仅如此，作者还发现Rheb通过与线粒体外膜受体Tom20结合，通过Tom20的作用转运到线粒体基质中。

那么Rheb在线粒体中到底发挥着怎样的作用呢？首先，作者将神经细胞中的Rheb敲除后发现线粒体能量代谢的中心代谢物（乙酰辅酶A和ATP）含量明显低于对照组。乙酰辅酶A水平的降低表明丙酮酸向乙酰辅酶A的转化受到抑制。而丙酮酸是通过PDH氧化成乙酰辅酶A的，因此神经元中PDH活性的动态调节可能在活性调节的线粒体能量学中发挥作用。根据这一推断，作者发现神经元和胶质细胞中Rheb的缺失增加了磷酸化的PDH-E1α水平。之后，作者敲除兴奋性神经元中的Rheb，PDH-E1α水平也同样上升，并且PDH-E1α磷酸化也与Rheb的缺失密切相关。但是，Rheb对PDH的调节可能并不以来mTORC1的激活。与敲除Rheb神经元中ATP生成减少的发现相一致的是，腺苷二磷酸（ADP）水平升高，表明ADP向ATP的磷酸化减少。为了弥补ATP产生的减少，神经元可以使用更多的磷酸肌酸来产生ATP。

PDH活性和乙酰辅酶A /ATP水平对神经元功能和轴突完整性的维持至关重要。因此，作者研究了Rheb在轴突完整性的维持中是否起作用。结果表明，神经元Rheb敲除小鼠出现年龄依赖性轴突变性，包括轴突-胶质粘连分离，有髓鞘轴突塌陷，产生空髓鞘。进而，作者想探寻Rheb对PDH的调节是否是细胞调节线粒体代谢的一般机制。Rheb和mTOR的缺失使mTORC1活性降低，Rheb缺失增加了肝脏中磷酸化的PDH- E1α，而mTOR缺失并没有改变磷酸化的PDH，这表明Rheb激活PDH独立于其激活mTORC1的作用。Rheb通过激活PDH发挥调节线粒体能量产生的一般作用。

PDH是由2种PDH磷酸酶(PDPs)的亚型介导的去磷酸化激活的。PDP1在大脑中占主导地位，其活动表现出Ca2+敏感性，PDP2在肝脏中富集，对Ca2+不敏感。实验表明，GST-Rheb可以与HEK293T细胞中表达的重组ha标记的PDP2互作。GST-Rheb不结合pdp2相关的磷酸酶PP2C，说明了Rheb-PDP相互作用具有特异性。并且，Rheb促进PDP-PDH复合物结合，提高了PDP对PDH-E1α磷酸酶的活性影响。通过Rheb在神经元中的表达可以诱导线粒体PDH激活。接下来，作者使用BDNF处理诱导Rheb表达并减少PDH磷酸化，结果表明活性诱导的PDH激活是由Rheb介导的神经元在持续刺激下，直接影响活性诱导的ATP的产生的。从机制上讲，Rheb与PDP物理结合，增强其活性，并与PDH-E1α亚基结合，从而减少PDH磷酸化，提高其活性。研究发现，Rheb是一个通过Rheb- PDH轴平衡神经元活动和神经能量的节点。